Физика транскрипции генов раскрыта
Исследовательская группа провела точные измерения того, где и как РНК-полимераза сталкивается с препятствиями при считывании нуклеосомной ДНК.
То, как ферменты «расплетают» отдельные молекулы ДНК для копирования генетической информации, — это не только проблема биохимии, но и проблема физики.
Это связано с тем, что молекулы ДНК, часто изображаемые как длинные двойные спирали, обычно намотаны и упакованы в единицы, называемые нуклеосомами. Чтобы РНК-полимераза (RNAP), фермент, «считывающий» ДНК, получила доступ к генетическому материалу, ей необходимо размотать эту туго свернутую катушку — и на этом пути она сталкивается с препятствиями, для преодоления которых ей необходимо приложить некоторую силу.
Именно эти невероятно тонкие силы с точностью до нанометров измерила Мишель Ван, профессор физики и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, и её коллеги. Опубликовав результаты онлайн в Nature Structural and Molecular Biology 9 мая, её команда провела точные измерения того, где и как RNAP сталкивается с препятствиями при считывании нуклеосомной ДНК. Они показали, что когда молекулы RNAP работают в паре, они получают лучший доступ к ДНК.
«Когда RNAP сталкивается с нуклеосомой, до конца не понятно, что происходит, — сказала Ван. — Насколько силён барьер? Где полимераза делает паузу?»
Исследователи ответили на эти вопросы, используя различные биохимические методы и технику расплетания ДНК, изобретённую в лаборатории Ван, которая использует оптическую ловушку. В этом методе используется одиночная нить ДНК, прикреплённая к преломляющей сфере для манипуляций.
Учёные точно показали, где RNAP делает паузу вдоль ДНК — с точностью до нескольких пар оснований (нуклеотидов по противоположным сторонам ДНК). Они также обнаружили, что паузы частично вызваны тем, что RNAP слегка отступает назад при столкновении с препятствием. Наконец, они представили доказательства того, что две молекулы RNAP, работающие в тандеме, могут помочь преодолеть препятствия.
«Думайте о последовательности ДНК как о дороге, — сказала Ван. — Последовательность ДНК даёт вам представление о том, где находятся дорожные знаки. По мере движения полимеразы я хочу точно определить её местоположение. Расплетание ДНК — это мощный инструмент, который фактически позволяет нам измерить местоположение RNAP с точностью до пары пар оснований».
Первым автором статьи является Цзин Цзинь, постдокторант лаборатории Ван. В работе также приняли участие бывшие аспиранты Лу Бай и Дэниел С. Джонсон; старший преподаватель Корнеллского университета Роберт М. Фулбрайт; и сотрудники из Центра исследования рака Национального института рака.